Os pesquisadores do MIT descobriram uma importante – e inesperada – propriedade eletrônica do grafeno, um material descoberto há 17 anos que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante. O trabalho, que envolve estruturas compostas por camadas atomicamente finas de materiais que também são biocompatíveis, pode inaugurar novos paradigmas de processamento de informações mais rápidos. Uma aplicação potencial é na computação neuromórfica, que visa replicar as células neuronais do corpo responsáveis por tudo, desde o comportamento até as memórias.
O trabalho também apresenta uma nova física que os pesquisadores estão ansiosos para explorar.
“Heteroestruturas baseadas em grafeno continuam a produzir surpresas fascinantes. Nossa observação de ferroeletricidade não convencional neste sistema simples e ultrafino desafia muitas das suposições prevalecentes sobre sistemas ferroelétricos e pode abrir caminho para uma geração inteira de novos materiais ferroelétricos”, diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT e líder do trabalho, que envolveu uma colaboração com cinco outros professores do MIT de três departamentos.
Uma nova propriedade
O grafeno é composto de uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que se assemelham a uma estrutura em favo de mel. Desde a descoberta do material, os cientistas mostraram que diferentes configurações das camadas de grafeno podem dar origem a uma variedade de propriedades importantes. As estruturas baseadas em grafeno podem ser supercondutores, que conduzem eletricidade sem resistência, ou isolantes, que impedem o movimento da eletricidade. Eles até foram encontrados para exibir magnetismo.
No trabalho atual, que foi relatado em dezembro passado na Nature, os pesquisadores e colegas do MIT mostram que o grafeno de duas camadas também pode ser ferroelétrico. Isso significa que cargas positivas e negativas no material podem se separar espontaneamente em diferentes camadas.
Na maioria dos materiais, cargas opostas são atraídas uma pela outra; eles querem combinar. Somente a aplicação de um campo elétrico os forçará a lados opostos, ou pólos. Em um material ferroelétrico, nenhum campo elétrico externo é necessário para manter as cargas separadas, dando origem a uma polarização espontânea. No entanto, a aplicação de um campo elétrico externo tem um efeito: um campo elétrico de direção oposta fará com que as cargas mudem de lado e invertam a polarização.
Por todas essas razões, os materiais ferroelétricos são usados em uma variedade de sistemas eletrônicos, de ultrassons médicos a cartões de identificação por radiofrequência (RFID).
Os ferroelétricos convencionais, no entanto, são isolantes. O ferroelétrico da equipe liderada pelo MIT com base em grafeno opera por meio de um mecanismo completamente diferente – física diferente – que permite conduzir eletricidade. E isso abre uma infinidade de aplicativos adicionais. “O que descobrimos aqui é um novo tipo de material ferroelétrico”, disse Zhiren (Isaac) Zheng, estudante de pós-graduação em física do MIT e primeiro autor do artigo da Nature.
Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, coautor do artigo e professor assistente do Boston College, coloca o trabalho em perspectiva. “Existem desafios associados aos ferroelétricos convencionais que as pessoas têm trabalhado para superar. Por exemplo, a fase ferroelétrica se torna instável à medida que o dispositivo continua a ser miniaturizado. Com nosso material, alguns desses desafios podem ser resolvidos automaticamente.” Ma conduziu o trabalho atual como pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) do MIT.
Padrões Importantes
A estrutura que a equipe criou é composta de duas camadas de grafeno – uma camada dupla – imprensada entre camadas atomicamente finas de nitreto de boro (BN) acima e abaixo. Cada camada BN está em um ângulo ligeiramente diferente da outra. Olhando de cima, o resultado é um padrão único chamado superrede moiré. Um padrão moiré, por sua vez, “pode mudar dramaticamente as propriedades de um material”, diz Zheng.
O grupo de Jarillo-Herrero demonstrou um importante exemplo disso em 2018. Nesse trabalho, também relatado na Nature, os pesquisadores empilharam duas camadas de grafeno. Essas camadas, no entanto, não estavam exatamente em cima umas das outras; em vez disso, um foi ligeiramente girado em um “ângulo mágico” de 1,1 graus. A estrutura resultante criou um padrão moiré que, por sua vez, permitiu que o grafeno fosse um supercondutor ou um isolante, dependendo do número de elétrons no sistema fornecido por um campo elétrico. Essencialmente, a equipe foi capaz de “ajustar o grafeno para se comportar em dois extremos elétricos”, de acordo com uma notícia do MIT na época.
“Então, ao criar essa estrutura moiré, o grafeno não é mais grafeno. Quase que magicamente se transforma em algo muito, muito diferente”, diz Ma.
No trabalho atual, os pesquisadores criaram um padrão moiré com folhas de grafeno e nitreto de boro que resultou em uma nova forma de ferroeletricidade. A física envolvida no movimento dos elétrons através da estrutura é diferente da dos ferroelétricos convencionais.
“A ferroeletricidade demonstrada pelo grupo do MIT é fascinante”, diz Philip Kim, professor de Física e Física Aplicada da Universidade de Harvard, que não esteve envolvido na pesquisa.
“Este trabalho é a primeira demonstração que relata ferroeletricidade eletrônica pura, que exibe polarização de carga sem movimento iônico na rede subjacente. Esta descoberta surpreendente certamente convidará a novos estudos que podem revelar fenômenos emergentes mais interessantes e fornecer uma oportunidade de utilizá-los para memória ultrarrápida formulários.”
Os pesquisadores pretendem continuar o trabalho não apenas demonstrando o potencial do novo material para uma variedade de aplicações, mas também desenvolvendo um melhor entendimento de sua física. “Ainda existem muitos mistérios que não entendemos totalmente e que são fundamentalmente muito intrigantes”, diz Ma.
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